科學(xué)家發(fā)現(xiàn)世界首例光陰極量子材料

西湖大學(xué)理學(xué)院何睿華課題組連同研究合作者，發(fā)現(xiàn)了世界首例具有本征相干性的光陰極量子材料，其性能遠超傳統(tǒng)的光陰極材料，且無法為現(xiàn)有理論所解釋，為光陰極研發(fā)、應(yīng)用與基礎(chǔ)理論發(fā)展打開了新的天地。

2023年3月9日，相關(guān)研究成果以《一種鈣鈦礦氧化物上的反常強烈相干二次光電子發(fā)射》為題，在線發(fā)表于《自然》。西湖大學(xué)博士研究生洪彩云、鄒文俊和冉鵬旭為論文共同第一作者，西湖大學(xué)理學(xué)院終身副教授何睿華為論文通訊作者。

光陰極材料是當(dāng)代粒子加速器、自由電子激光、超快電鏡、高分辨電子譜儀等尖端科技裝置的核心元件。一直以來，它存在固有的性能缺陷——所發(fā)射的電子束“相干性”太差，也就是，電子束的發(fā)射角太大，其中的電子運動速度不均一。這樣的“初始”電子束要想滿足尖端科技應(yīng)用的要求，必須依賴一系列材料工藝和電氣工程技術(shù)來增強它的相干性，而這些特殊工藝和輔助技術(shù)的引入極大地增加了“電子槍”系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了建造要求和成本。

盡管基于光陰極的電子槍技術(shù)最近幾十年來有了長足的發(fā)展，它已漸漸無法跟上相關(guān)科技應(yīng)用發(fā)展的步伐。許多前述尖端科技的升級換代呼喚初始電子束相干性在數(shù)量級上的提升，而這已經(jīng)不是一般的光陰極性能優(yōu)化所能實現(xiàn)的了，只能寄望于在材料和理論層面上的源頭創(chuàng)新。

何睿華團隊意外在一個物理實驗室中“常見”的量子材料“鈦酸鍶（SrTiO3）”上實現(xiàn)了突破。

此前對鈦酸鍶為首的氧化物量子材料研究，主要是將這些材料當(dāng)作硅基半導(dǎo)體的潛在替代材料來研究，但何睿華團隊卻通過一種強大的、但很少被應(yīng)用于光陰極研究的實驗手段——角分辨光電子能譜技術(shù)，出乎意料地捕捉到這些熟悉的材料竟然同樣承載著觸發(fā)新奇光電效應(yīng)的能力，它有著遠超于現(xiàn)有光陰極材料的光陰極關(guān)鍵性能——相干性，且無法為現(xiàn)有光電發(fā)射理論所解釋。

《自然》論文匿名審稿人指出：“這一發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致光陰極技術(shù)發(fā)生范式轉(zhuǎn)變，該技術(shù)長期以來一直受困于（電子槍）電子束不能同時具有高相干性和高束流強度的矛盾，其根源就在于初始電子束的本征非相干性。”

論文合作者、西湖大學(xué)理學(xué)院研究員鄭昌喜認為，合作團隊發(fā)現(xiàn)的重要性“不在于往鈦酸鍶的神奇性質(zhì)列表增添了一個新的性質(zhì)，而在于這個性質(zhì)本身，它可能重啟一個極其重要、被普遍認為已發(fā)展成熟的光陰極技術(shù)領(lǐng)域，改變許多早已根深蒂固的游戲規(guī)則”。

（來源：中國科學(xué)報）